Evaluation of Heat Release Performance of Swaged- and Extruded-type Heat Sink Used in Industrial Inverter

Vol. 14, No. 2 pp. 523-528, 2013

산업용 인버터에 사용되는 압입식 및 압출식 히트싱크의 방열 성능 평가

김정현¹, 구민예¹, 이교우^1*

1전북대학교 기계설계공학부 (친환경기계부품설계연구센터)

Evaluation of Heat Release Performance of Swaged- and Extruded-type Heat Sink Used in Industrial Inverter

Jung Hyun Kim

, Min Ye Ku

and Gyo Woo Lee

1

Division of Mechanical Design Engineering, Chonbuk National University

요 약 본 실험에서는 산업용 발전 설비에 사용되는 인버터 내부의 압입형과 압출형 두 종류 히트싱크의 방열 성능

을 평가하였다

.

62

,

38

.

1mm

.

70.7%, 63.8%

.

.

40%

,

6.9%

.

.

Abstract In this experiment, we investigated the performance of two types of heat sink, swaged- and extruded-type, used in the inverter of industrial electricity generator. The swaged-type heat sink has 62 fins, and the extruded-type has 38 fins having the same dimension as that of the swaged-type. But the extruded-type heat sink maintains the same heat transfer area by the laterally waved surface which has 1 mm in radius. As a result, the swaged- and extruded-type heat sinks released 70.7% and 63.8% of the heat incoming to the heat sink, respectively. The other incoming heat were naturally convected and radiated to the ambient. In spite of 40% decrease in number of fins, the heat release performance of the extruded-type heat sink was lowered only 6.9% than that of the swaged-type. We believe that, this shows the increment of effective heat transfer area by the laterally waved surface of fins and the better heat transfer property of the extruded-type heat sink.

Key Words : Heat Sink, Forced Convection, Inverter, Performance Evaluation, Heat Transfer

본 논문은 중소기업청에서 지원하는 2012년도 산학연공동기술개발사업(No. C0027543)의 연구수행으로 인한 결과물임.

*Corresponding Author : Gyo Woo Lee (Chonbuk National University) Tel: +82-63-270-3997 email: [email protected]

Received October 19, 2012 Revised January 10, 2013 Accepted February 6, 2013

1. 서론

태양광, 풍력, 조력 등의 다양한 에너지원을 우리가 사 용할 수 있는 전기에너지로 전환시키기 위해서는 발전설 비가 필요하다. 특히 태양광 발전설비 내에는 인버터가 있는데, 태양전지에서 발생하는 직류를 우리가 사용하는 교류로 변환시켜주는 중요한 역할을 하는 장치이다. 인버 터 내부에는 IGBT(insulated gate bipolar transistor)라고

불리는 고효율 및 고속의 전력 시스템에 필수적으로 사

용되는 대표적인 전력 반도체가 들어있다. IGBT는 작동

함에 따라 전력손실이 발생하게 되는데 이 중 대부분은

열로 변환된다. 이 때 발생하는 열은 칩(chip) 내에서 접

점의 온도를 높여 소자의 성능을 저하시키고 수명을 단

축시킨다. 이런 온도상승에 의한 IGBT의 성능 단축을 해

결하기 위해 온도를 허용치 이하로 유지해 줄 방열시스

템은 반드시 필요하며 또한 매우 중요하다.[1]

인버터의 방열시스템에 대해 기존의 많은 연구자들이 연구를 수행하였다. Kim 등 [2] 은 이론적 해석과 실험을 통하여 열분산기(heat spreader)와 히트싱크(heat sink)를 갖는 고집광 태양전지 모듈의 방열시스템을 개발하고 자 연대류 히트싱크의 열 성능을 예측할 수 있는 관계식을 제시하였다. Kim 등 [3] 은 다양한 형상을 갖는 히트싱크 를 강제대류와 자연대류 조건에서 실험하여 열저항 특성 을 연구하였다. Jeon 등 [4] 은 터널 형태의 공랭식 히트 싱크를 이용해 직렬로 배열된 발열체의 방열실험을 실시 하여 발열체의 온도상승 인자에 대한 영향을 규명하고 도출한 실험관계식으로 방열시스템 설계의 예를 제시하 였다. Lee [5] 는 시뮬레이션과 실험을 병행하여 400 kW 급 IGBT 인버터용 방열시스템 설계법을 제시하고 시뮬 레이션 결과와 실험 결과가 10 %의 오차 범위 내에서 일 치함을 검증하였다. Lee [6] 는 열부하에 따른 핀(fin)의 개수에 변화를 줄 때 압력손실 및 전열면적 변화에 따른 최적화 설계를 연구하였다. Ko 등 [7] 은 차량에 사용되 는 LED(light emitting diode) 전조등의 팬(fan)과 히트싱 크가 사용된 방열시스템 성능을 시뮬레이션을 사용하여 해석하고 팬의 위치나 히트싱크의 면적 변화 등을 통한 최적화 설계가 필요하다는 결론을 내렸다. Shaukatullah 등 [8] 은 같은 크기의 핀에 변화를 준 히트싱크의 방열 성능을 실험하여 단위 부피당 표면적과 핀 형상에 의하 여 히트싱크의 성능이 결정된다고 보고하였다. Riu 등 [9] 은 기존의 평판형 히트싱크와 스트립핀(strip fin) 히 트싱크를 자신들이 고안한 엇갈린 배열 스트립핀 히트싱 크와 같이 방열성능을 평가하여 기존의 것들보다 우수한 성능을 내는 것을 밝혔다.

일반적으로 히트싱크는 핀과 상부 또는 하부 판이 일 체형으로 구성되는 압출형(extruded-type)이 주로 사용된 다. 하지만 방열시스템의 규모가 커서 히트싱크의 크기가 커지면 제작설비나 단가 등의 현실적인 제약으로 인해 핀과 상하부 판을 따로 제작하여 결합하는 압입형 (swaged-type) 히트싱크가 사용되기도 한다. 압입형은 일 체형 구조인 압출형에 비해서 핀과 상하부 판 사이의 열 저항이 더 크므로 열전달 특성이 상대적으로 좋지 못하 지만, 생산단가 등의 측면에서 경쟁력을 가질 수 있다.

본 실험에서는 발전설비 인버터 방열시스템에 사용되 는 압입식 및 압출식 히트싱크의 방열성능을 평가하고자 하였다. 실험대상인 두 히트싱크의 차이점은 압입식과 압 출식으로 각각 제작되었다는 것과 동일한 크기인 핀의 개수가 각각 62개와 38개라는 점이다. 핀의 개수가 작은 압출식의 경우에는 핀의 표면에 반경 1 mm의 굴곡을 주 어 산술적으로 압입식과 동일한 전열면적을 유지하였다.

2. 실험방법 및 내용

2.1 실험 장치

아래의 Fig. 1은 본 연구에 사용한 실험 장치의 전체적 인 개략도(top view)이다. 그림의 좌측부터 히트싱크, 팬, 덕트(duct)로 구성이 되어있으며, 그밖에 온도 및 압력, 유속 등의 정보를 모으고 저장하는 데이터 수집부 등으 로 구분된다.

히트싱크 위의 세 개의 히터(heater)는 가로 126mm 세 로 126mm의 세라믹 재질로서 각각 538.2 W의 정격 소 비전력을 가진다. 이는 일반적으로 인버터 내에 위치하는 전력반도체 IGBT를 모사한 것으로 열원의 역할을 한다.

히터의 위치는 그림에서 팬과 히트싱크가 결합되어 있는 부분을 기준으로 53 ㎜ 떨어진 가운데에 하나를 설치 후 좌우로 간격을 5 ㎜로 하여 3 개를 설치하였다.

방열을 위한 공기는 흡입식 팬을 이용하여 실내의 공 기가 히트싱크로부터 들어와 덕트를 통해 외부로 흘러나 가게 하였다. 그림의 검은 점은 열전대(thermocouple)를 위치시킨 곳이며 히트싱크 입구의 정중앙과 팬 바로 뒤 의 중앙에 고정하였다. 팬 뒤 쪽으로의 덕트부는 주름이 잡힌 관으로 연결되어 팬을 통해 배출되는 공기를 창밖 으로 빼내 공기가 막히지 않고 외부로 나갈 수 있게 하였다.

온도측정에 사용한 열전대는 T형(TG-T-36-500, Omega) 열전대를 보정하여 사용하였다. 온도의 측정 및 모니터링 을 위한 데이터 수집 장비로는 Advantech사의 USB-4718 모듈을 이용하였다.

[Fig. 1] A schematic of the experimental setup

실내공기를 히트싱크로 유인하는 팬은 최대 유량 710

m

/hr인 E사의 모델인데, 팬 제조사의 보정 그래프(Fig. 2

의 ②번)와 팬 전후의 압력차 측정을 통해서 구해진 팬

유량은, 핀의 수가 62개인 압입식 히트싱크는 517 m

/hr

이고, 핀의 수가 38개라서 압력손실이 상대적으로 적은

압출식 히트싱크는 541 m

/hr이다.

[Fig. 2] Performance curve of the fan used in this

experiment (No.

)

압입식과 압출식 히트싱크의 형상은 Fig. 3과 같으며 재질은 알루미늄(AL6061)이고 자세한 사항은 Table 1에 나타나 있다. Fig. 3(a)의 압입식 히트싱크는 상판과 하판 에 판형 핀을 끼우는 방식으로 제작되었다. Fig. 3(b)의 압출식 히트싱크는 상판과 핀이 일체형인 압출식으로 제 작되었다. 압출식 히트싱크는 압입식 히트싱크에 비해 핀 의 개수를 줄이고 핀 표면에 반지름 1 mm의 곡률을 주어 표면적을 증가시켰다. 기하학적 형상에 따른 산술적인 전 열면적은 압입식과 압출식 히트싱크가 각각 2.58 ㎡과 2.62 ㎡으로 거의 같다고 할 수 있다.

압출식 히트싱크의 경우 두 부분으로 되어 있는데 이 는 압출식 제작방법의 한계 때문이다. 압출식으로 제작 시 알루미늄을 뒤에서 압력을 주어 금형 틀을 지나가게 하는데 핀의 개수가 많아짐에 따라 압력도 증가하기 때 문에 핀 수의 한계가 있다. 이러한 이유로 압출식 히트싱 크의 경우 Fig. 3 (b)와 같이 두 부분으로 제작되어 조립 되었다.

(a) Swaged-type heat sink

(b) Extruded-type heat sink

[Fig. 3] Schematic diagram of swaged- and extruded-type

heat sink

Swaged type Extruded type

Length 325 ㎜ 325 ㎜

Width 410 ㎜ 410 ㎜

Height 100 ㎜ 100 ㎜

Number of fins 62 38

Fin spacing 6 ㎜ 11 ㎜

Thickness of fin 1 ㎜ 2 ㎜ ~ 3 ㎜ Height of fin 65 ㎜ 65 ㎜

Surface area 2.58 ㎡ 2.62 ㎡ [Table 1] Specifications of swaged- and extruded -type

heat sink

2.2 실험 방법

본 실험에서는 팬을 이용한 강제대류를 통해 히트싱크 를 냉각시켰다. 히트싱크의 방열성능은 열원으로부터 전 달되는 열량과 자연대류 또는 강제대류를 통해 히트싱크 내부로 유동되는 유체와 히트싱크의 상호 열 교환양의 비교를 통해 알 수 있다. 팬을 통한 공기 유량 및 히터의 발열량은 고정하고, 두 종류의 히트싱크의 방열성능을 비 교 평가하였다.

열원으로 사용된 히터 3개의 총 1614.6 W의 열량을 히트싱크에 입력 열량으로 주었다. 모든 히트싱크의 입출 구 온도는 팬과 덕트, 히터를 가동시켜 방열시스템의 구 동과 동시에 측정하였다. 온도 측정 시간은 10초에 한 번 씩 측정하였으며 총 2400초까지 측정하였다. 1200초 이 후를 정상상태로 판단하여 그 이후부터 측정된 히트싱크 의 입출구 평균 온도차를 이용하여 전열양을 계산하였고 계산식은 식 (1) [10]을 사용하였다.

(1)

히트싱크 방열성능의 평가는 열원으로부터 입력되는 열량과 히트싱크를 통해 빠져나가는 열량의 비율을 통해 성능을 평가하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 압입식 히트싱크

Fig. 4는 측정된 온도 중 하나의 그래프인데, 히트싱크 입출구의 평균온도 측정에 사용된 1200초 이후의 상태가 정상상태에 충분히 도달했음을 알 수 있다. Fig. 5는 압입 식 히트싱크의 입출구 온도와 온도차를 그린 그래프이다.

히트싱크 입구의 평균온도는 22.12 ℃, 표준편차는 0.60

℃이고 출구 평균온도는 25.42 ℃, 표준편차는 0.65 ℃이

다. 히트싱크 입출구의 평균 온도차는 3.30 ℃, 표준편차

는 0.05 ℃로 입구온도 변화에 대해 출구온도도 같이 변 하여 입출구 온도 차이는 크게 변동 없이 일정하게 유지 되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 5에서의 온도차를 식 (1)을 이용하여 공기와의 전 열양을 계산한 것이 Fig. 6이며 계산된 평균 전열양은 1141.7 W, 표준편차는 17.17 W이다. 측정된 온도가 균일 하기에 계산된 전열양 또한 편차가 매우 작은 균일한 결 과를 보임을 알 수 있다.

압입식 히트싱크의 냉각성능을 평가하기 위해 히터를 통해 투입되는 열량을 100으로 보고, 히트싱크를 통해 방 열되는 열량과 그 밖의 손실(히트싱크 주변으로의 대류 및 복사 열손실)을 비율로 표시한 것이 Fig. 7이다.

히트싱크를 통해 방열되는 열량은 공급된 열량의 평균 70.7 %로 약 71 % 열량이 히트싱크를 통해 방열된다. 나 머지 약 29 %의 열량은 히트싱크의 상판과 옆판 및 히터 자체의 표면 등에서 대류 및 복사 열전달을 통해 주변으 로 빠져나간다.

[Fig. 4] Inlet and exit temperatures of heat sink with time

[Fig. 5] Averaged temperatures and the temperature

differences between inlet and exit of the swaged-type heat sink

[Fig. 6] Heat release thru the swaged-type heat sink

[Fig. 7] Fractions of heat release thru the swaged-type

heat sink

3.2 압출식 히트싱크

압출식 히트싱크의 입출구 온도 및 온도 차이를 Fig.

8에서 확인할 수 있다. 히트싱크 입구의 평균온도는 23.91 ℃, 표준편차는 0.47℃이고 출구의 평균온도는 26.75 ℃, 표준편차는 0.48 ℃이다. 입출구 평균 온도차는 2.84 ℃, 표준편차는 0.03 ℃로 평균 온도차는 압입식 히 트싱크에 비해 다소 낮게 측정되었다.

압입식 히트싱크와 마찬가지로 공기와 압출식 히트싱 크 사이의 전열양을 계산하여 Fig. 9에 나타내었다. 히트 싱크에서 공기로의 전열 양을 볼 수 있으며 온도차가 압 입식 히트싱크에 비해 작은 만큼 전열양도 작아 평균 전 열양은 1030.3 W이지만 표준편차는 측정된 온도차의 값 들이 균일한 만큼 12.6 W이다. 압입식 히트싱크의 성능 평가를 했던 방법과 동일한 방법으로 입력되는 1614.6 W 에 대해 히트싱크를 통해 방열되는 열량의 비율을 Fig.

10에 나타냈다. 히트싱크를 통해 방열되는 방열양의 평

균은 63.8 %로 약 64 %의 열량이 히트싱크를 통해서 방

열되는 것을 알 수 있다. 나머지 약 36 %의 열량은 압입

식 히트싱크와 마찬가지로 자연대류 및 복사에 의해 주 변으로 방열된다.

[Fig. 8] Averaged temperatures and the temperature

differences between inlet and exit of the extruded-type heat sink

[Fig. 9] Heat release thru the extruded-type heat sink

[Fig. 10] Fractions of heat release thru the extruded-type

heat sink

4. 결론 및 향후계획

본 실험에서는 발전설비 인버터 방열시스템에 사용되 는 압입식 및 압출식의 히트싱크의 방열성능을 평가하고 자 하였다. 두 히트싱크의 차이점은 압입식과 압출식으로 각각 제작되었다는 것과 동일한 크기인 핀의 개수가 각 각 62개와 38개라는 점이다. 핀의 개수가 작은 압출식의 경우에는 핀의 표면에 반경 1 mm의 굴곡을 주어 산술적 으로 압입식과 동일한 전열면적을 유지하였다.

결과적으로, 실험에 사용한 압입식과 압출식 히트싱크 는 열원으로부터의 투입열량 중에서 각각 70.7%와 63.8%를 방열하였으며, 나머지는 히트싱크 주변으로 자 연대류 및 복사로 방열하였다. 단순히 핀의 개수만을 기 준으로 보면 압출식의 경우가 전열면적은 40% 정도 감 소하였지만 방열성능은 6.9% 감소하는데 그쳤다.

이는 표면 굴곡이 유효전열면적 증대에 부분적으로 반 영되었고 압입식에 비해 열저항이 적어 우수한 전열성능 을 갖는 압출식 히트싱크의 특성이 반영된 것으로 판단 된다.

본 실험에서 비교한 압입식 히트싱크와 압출식 히트싱 크는 핀의 형상이나 개수가 동일하지 않고 제작 방식도 달라 핀의 열전달 특성 및 전열면적이 다르다. 이로 인하 여 두 가지 변수에 대한 효과가 혼합적으로 나타났으며 독립적으로 측정되지 않았다. 향후 연구에서는 핀의 형상 과 개수 등의 개별 변수들에 대한 영향을 독립적으로 측 정하여 그 효과를 명확히 파악하고자 한다.

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S. Lavine, "Introduction to Heat Transfer," 5th ed., John Wiley and Sons, 2006.

김 정 현

(Jung Hyun Kim) [준회원]

• 2013년 2월 : 전북대학교 기계설 계공학부 (기계공학 학사)

• 2013년 3월 ~ 현재 : 전북대학교 기계설계공학부 (석사과정)

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열공학, 열전달

구 민 예

(Min Ye Ku) [준회원]

• 2012년 2월 : 전북대학교 기계시 스템공학부 (기계공학 학사)

• 2012년 3월 ~ 현재 : 전북대학교 기계설계공학부 (석사과정)

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이 교 우

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• 1994년 2월 : KAIST 항공우주 공학과 (항공우주공학 석사)

• 2004년 2월 : 연세대학교 기계공 학과 (기계공학 박사)

• 1994년 3월 ~ 2005년 2월 : KIST 연구원

• 2005년 3월 ~ 현재 : 전북대학교 기계설계공학부 부교수

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